В истории любой страны встречаются яркие личности, глубоко повлиявшие на её культуру или науку. В США одним из таких людей являлся Ричард Бакминстер Фуллер (Richard Buckminster Fuller; 1895 — 1983), который прославился, как инженер, изобретатель, дизайнер и совершенно феерический архитектор. Он стал известен проектами больших куполообразных сооружений.
Купола, возводившиеся по проектам Фуллера, имеют название геодезических куполов. Их главное свойство состоит в том, что подобные купольные конструкции собираются из прямых стержней. Как следствие, возведение таких куполов обходится достаточно дёшево. А кроме того, эти сооружения – устойчивые структуры. Будучи собранными, они сами поддерживают себя, распределяя нагрузки по всей конструкции. При этом строить большие купола намного дешевле, чем купола невысокие. Секрет прост. В большом куполе на порядок больше деталей, чем в куполе маленьком, а значит, на каждый стержень купольной конструкции будет приходиться меньшая нагрузка.
Советские люди познакомились с сооружениями Фуллера неожиданно рано, в 1959 году. В этом году в парке Сокольники открылась Национальная выставка США. Довольно большое пространство было накрыто так называемым «золотым куполом». Тем, кто видел это сооружение впервые, казалось невозможным, что столь большая и важная конструкция была собрана из лёгких стальных труб. На структуру американцы уложили лёгкий потолок из анодированного алюминия, имеющего благородный золотой оттенок. В такое чудесное футуристическое здание не стыдно было пригласить главу правительства, что и было немедленно исполнено. Выставку посетили высшие советские руководители, и среди них, Никита Хрущёв. Думается, что его, человека, к новому восприимчивого, поразило не только внутреннее содержимое павильона: стиральные машины, холодильники, автомобили, пылесосы и пепси-кола. Сам вид павильона тоже был впечатляющим. Ни одной колонны! Разве такое возможно? Ох уж, эти американцы!
А в 1967 году Ричард Фуллер спроектировал в Монреале огромную сферу, внутри которой был размещён немаленький павильон США на Всемирной выставке. Когда выставка закрылась, сфера Фуллера осталась в Монреале. В бывшем выставочном павильоне разместили музей «Биосфера».
Геодезические купола – не только устойчивые и дешёвые конструкции. По мере увеличения размера сферы вес решётчатой оболочки растёт пропорционально её диаметру, а объём закрываемого сферой пространства – пропорционально кубу диаметра. А значит, технически возможно перекрыть сферическим куполом гигантское пространство. Под куполом можно разместить целый город! А поскольку геодезический купол может выдержать ураганные ветры, почему бы не накрыть какой-нибудь северный город таким куполом, обеспечив его жителям хорошие жизненные условия в тех местах, где жить невозможно. Кто бывал, скажем, за Полярным кругом, тот поймёт и захочет осуществить такой проект. Более того, проекты освоения Антарктиды всерьёз рассматривают возведение городов под куполами Фуллера.
Впрочем, удивлять – так удивлять! Технически возможно построить сферическую конструкцию диаметром километра в полтора. Масса воздуха, который окажется заключенным в такую сферу намного превысит массу всей сферической оболочки. Замечательно! Если весь этот воздух нагреть всего на один градус выше температуры окружающего пространства, появится немаленькая подъемная сила, и сферическая конструкция взлетит на манер дирижабля! А поскольку при увеличении размеров сферы подъёмная сила возрастает пропорционально кубу диаметра, сфера не только взлетит сама, но поднимет в небеса значительный груз!
Не желаете ли пожить в летающем городе на несколько тысяч человек? Такой город, почти, как в романе Жюля Верна мог бы пришвартоваться в каком-либо месте на якоре и висеть над ним в воздухе. Или, снявшись с якоря, лететь, подгоняемый ветром!
Ричард Бакминстер Фуллер умер в Лос-Анджелесе 1 июля 1983 года. Необычные конструкции, которые он разрабатывал бóльшую часть своей жизни, настолько ассоциировались у американцев с его фамилией, что когда уже после его смерти химики обнаружили, новую аллотропическую форму углерода, C70, атомы которого образуют структуру, похожую на геодезический купол, они назвали эту молекулу «бакминстерфуллереном» или просто «фуллереном».
Казалось бы, обнаружить новый элемент в наше время практически невозможно. Все клетки в таблице Менделеева заняты. Однако, оказывается есть элемент, от которого можно ожидать неожиданностей. Это – углерод.
Углерод удивителен многим. Например, тем, что является основой органических соединений, для изучения которых имеется отдельная часть химии, химия органическая. Органических соединений, кстати, значительно больше, чем неорганических. Более того, именно органические соединения являются основой всех живых организмов.
Огромное количество соединений углерода связано с его химической природой. Атомы углерода могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепочки, которые называются полимерами. Причем, эти цепочки образуют структуры самой разной формы. Например, молекулы бензола, имеют форму замкнутых колец. Есть важное вещество, которое в живых клетках отвечает за передачу наследственной информации, и называется ДНК, то есть дезоксирибонуклеиновой кислотой. Это вещество, как многим известно, имеет вид двух связанных между собой спиралей.
Особые химические свойств углерода проявляются ещё в одном явлении. Углерод имеет множество самых различных модификаций, которые называются аллотропическими формами. Собственно говоря, «аллотропия», если перевести с древнегреческого, и означает «другая форма».
Аллотропические формы углерода устойчивы при комнатной температуре и нормальном давлении и могут существовать параллельно. При этом они абсолютно не похожи друг одна на другую. Аллотропические формы могут быть и у других элементов, не только у углерода. Но наибольшее число аллотропических форм, а именно, 9 известно у углерода. Две из них знают все. Это алмаз и графит. С химической точки зрения оба эти вещества имеют одинаковый состав. Они представляют собой чистый углерод. Однако атомы углерода в этих веществах образуют разные пространственные структуры, и вот вам результат: их физические свойства разнятся абсолютно. Графит чёрен, как ночь и крошится при легком усилии. (Его твёрдость по шкале Мооса – единица). И рядом с ним сверкающий на солнце алмаз, самый твердый минерал в мире!
Фуллерен, открытый в середине 1970-х годов – это не новый элемент, а ещё одна аллотропическая форма углерода. Честь открытия принадлежит английскому химику Гарольду Кро́то (Harold Walter Kroto; 1939 — 2016). Изучая спектры звезд, Крото расшифровывал результаты спектрального анализа крупных красных звезд, называемых углеродными. По результатам этой расшифровки оказалось, что эти «умирающие» звёзды содержат в своём составе большие молекулы углерода, которые состоят из 60, а иногда из 70 атомов. Подобные же крупные молекулы углерода были обнаружены в межзвёздном пространстве.
В середине 1980-х годов учёному представилась возможность проверить синтезировать такие молекулы в лаборатории. В этом время Ричард Смолли (Richard Smalley; 1943 — 2005) создал в университете Райса в Техасе установку с помощью которой можно было исследовать поведения металлов, при их испарении лазерным лучом, и при последующем очень быстром охлаждении. Как оказалось, металлы при этом не кристаллизовались. Их атомы образовывали так называемые кластеры, то есть, длинные цепочки, имеющие особую структуру. Роберт Кёрл (Robert Floyd Curl Jr., род. 1933), работавший совместно со Смолли, на одном из семинаров встретился с Крото и пригласил его промоделировать с её помощью механизм образования больших молекул углераода в атмосфере далеких звезд. Соответствующая серия экспериментов была произведена в скором времени, в августе – сентябре 1985 года.
В лаборатории графит испаряли лазерным лучом, и при быстром охлаждении получили новые аллотропические формы углерода, которые состояли из 60 или 70 атомов: C60или C70. Структура этих молекул представляла собой выпуклые замкнутые многогранники, с пятиугольными или шестиугольными гранями, который называется усеченным икосаэдром. Усечёный икосаэдр в реальной жизни видели все – это футбольный мяч. Хотя его принято считать круглым, он имеет не шаровую форму, а как раз является усечёным икосаэдром. Симметрия такой структуры будет максимальной и окажется весьма близкой к симметрии шара.
Американским учёным эта форма напомнила также архитектурные структуры Ричарда Бакминстера Фуллера, и новую молекулу углерода назвали «Бакминстерфуллереном». Позже для удобства название усекли до «фуллерена»
Открытие фуллерена, новой аллотропической формы углерода было признано выдающимся открытием. Гарольд Крото, Ричард Смолли и Роберт Кёрл в 1996 году получили за него Нобелевскую премию по химии.
Заметим, что задолго до того, как экспериментаторы синтезировали молекулы фуллерена, теоретики предсказали их существование. Это сделал в конце 1960-х годов японский химик Эйдзи Осава (Eiji Osawa, род. 1935). Он опубликовал статью, в которой изобразил структуру молекулы C60 в виде усеченного икосаэдра. Еще раньше стабильность молекулы углерода в виде усечёного икосаэдра доказали советские ученые Д. А. Бочвар, Е. Г. Гальперн и И. В. Станкевич с помощью компьютерных расчетов. Однако до публикации в научном журнале дело не дошло. Против публикации был директор института. Это, кстати о приоритетах советской науки.
Сейчас изучение фуллеренов давно уже стало частью практических разработок в сфере технологии и даже нанотехнологии. Материаловеды создали сверхтвердый – твёрже алмаза – материал фуллерит. Были исследованы сверхпроводящие свойства фуллеренов. Весьма перспективно применение фуллеренов в медицине. Дело в том, что фуллерены оказались мощнейшими антиоксидантами. Это значит, что на их основе можно производить лекарства, которые будут очищать организм от продуктов жизнедеятельности, а значит, продлевать срок жизни. Вполне возможно, что на основе фуллеренов будут созданы лекарства против ВИЧ.